Die Nutzung neuer, innovativer

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1 VIRTUAL REALITY FORSCHUNG UND ANWENDUNG BEI VOLKSWAGEN VON PETER ZIMMERMANN VR-Labor der Konzern-Forschung, Wolfsburg Die Nutzung neuer, innovativer Technologien birgt neue Optimierungspotenziale für die Produktentwicklung. Diese Technologien können nicht rezeptartig eingesetzt werden; vielmehr ist eine Anpassung an die unternehmens- und projektspezifischen Belange erforderlich. Im Folgenden werden die Technologie und einige Methoden der virtuellen Realität vorgestellt und anhand von Praxisbeispielen aus der Automobilindustrie erläutert. ERFOLG IN DEN ZEITEN DES WETTBEWERBS ABBILDUNG 1: Verkürzter Zielprozess mit DMU. Die Fahrzeugindustrie macht es vor: das virtuelle Auto existiert lang vor dem ersten realen Prototyp. Am Rechner wird es entworfen, in der virtuellen Fabrik wird es (virtuell) gefertigt und danach im Cyberspace erprobt. Schließlich kommt der virtuelle Crashtestdummy zum Einsatz. Die neuen Technologien bringen die Branche in Schwung doch die Potenziale sind noch längst nicht ausgeschöpft. Was möglich ist, zeigt das Beispiel aus Wolfsburg. Die Weltautomobilindustrie sieht sich in vielfacher Weise großen Herausforderungen gegenüber. Es besteht aufgrund der weltweiten Überkapazitäten verstärkter Wettbewerbsdruck, die Innovationszyklen verkürzen sich rapide. Die Diversifizierung der Kundensegmente bei gleichzeitigem Anspruch weltweiter Wettbewerbsfähigkeit erfordert in hohem Maße auf spezielle Kundenwünsche konfigurierte Fahrzeuge. Die Ansprüche an Sicherheit, an Komfort, an Umweltverträglichkeit sowie an die Qualität steigern die Komplexität der Produkte zusätzlich. Langfristig werden nur die Automobilhersteller am Markt bestehen können, die neben der Produktinnovation auch die Innovation der Produktentstehungsprozesse beherrschen. Hier liegt die Herausforderung unter anderem in der Integration neuer rechnergestützter Methoden und Werkzeuge wie zum Beispiel Virtual Reali- Carolo-Wilhelmina 1/2001

2 ty, Digital Mock-Up und Rapid Prototyping, die im Folgenden näher erläutert werden sollen. Neue Produkte können durch sie schneller und gleichzeitig in höherer Vielfalt entwickelt werden. Eine wichtige Voraussetzung für erfolgreiche Anwendungen im Bereich der virtuellen Realität (VR) ist die Einführung des so genannten Digital Mock-Up (DMU), da nur so die angestrebte Verkürzung der Entwicklungszyklen bei gleichzeitig hoher Datensicherheit und hohem Füllungsgrad an CAD- Daten zu erreichen ist. DIGITAL MOCK-UP: DAS PRODUKT ALS DATENSATZ Ein Digital Mock-Up (DMU) ist die wirklichkeitsgetreue Beschreibung eines Produktes im Rechner. Es besteht aus Dokumenten, Attributen und Strukturen. Ein DMU stellt eine explizit auf ein bestimmtes Endprodukt bezogene, abgegrenzte Datenmenge dar. DMU ist somit der Datenbestand, auf dessen Basis beispielsweise Kollisionsüberprüfungen, Montageversuche oder Crashberechnungen durchgeführt werden können. Zu Aufbau und Nutzung eines Digital Mock-Up sind Anpassungen von Prozessen und Organisationsformen erforderlich. Eine auf ein bestimmtes Produkt ausgerichtete Kooperation ist unter Umständen früher als in heutigen Prozessabläufen erforderlich. Das DMU dient als Informationsaustauschmedium. Um diesen Informationsaustausch sinnvoll gestalten zu können, müssen in einem festen zeitlichen Turnus Informationen in das DMU eingestellt werden. Diese müssen einen entsprechenden Reifegrad haben, sodass es anderen Mitarbeitern möglich wird, auf diese Daten bereits aufzubauen und ihre eigene Arbeit durchzuführen. Insbesondere die frühzeitige Überprüfung von Entwicklungsergebnissen durch Berechnungs- und Simulationsverfahren sowie der Einsatz von Virtual Reality und Rapid Prototyping-Verfahren können durch die Bereitstellung der Daten im DMU besser in den Prozessablauf integriert werden [DöKT97]. Durch stärkere Parallelisierung von Prozessen wird es auch möglich, Produkte früher als bisher optimieren zu können und durch kurze Iterationsschleifen im Prozess Zeit zu sparen und Kosten zu senken (Abbildung 1). Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Arbeit mit DMU ist die Integration von Zulieferern. Zu unterscheiden sind hier zunächst die einzelnen Arten von Zulieferern. Eine Typologisierung nimmt Wildemann wie folgt vor [Wil94]: PETER ZIMMERMANN (Dipl.-Ing.), Jg. 1944, Studium an der Wagenbauschule Hamburg; Konstrukteur bei der Adam Opel AG. Ab 1970 Mitarbeit an ersten CAD- Systemen bei der Volkswagen AG, 1975 bis 1987 Forschungsmitarbeiter mit den Schwerpunkten Fahrdynamik- und Crashsimulation Aufbau eines transputerbasierten Sichtsystems für den Fahrsimulator. Seit 1993 beauftragt mit der Erforschung und Einfürung von Virtual Reality- und Augmented Reality- Anwendungen für die Produktentstehung. ABBILDUNG 2: Product Structure Navigator (Dassault Systems) als Bestandteil von DMU. 1/2001 Carolo-Wilhelmina

3 VIRTUAL REALITY: EIN- TAUCHEN IN 3-D-WELTEN ABBILDUNG 3: VR-System, VR ist»closed-loop«-betrieb in Echtzeit. Der Teilefertiger ist charakterisiert durch die Herstellung vom Abnehmer entwickelter Produkte und standardisierter Teile. Der Produktionsspezialist beherrscht spezielles Produktions-Know-how bei gleichzeitiger großer Prozesssicherheit. Der Entwicklungspartner besitzt spezifisches Produkt-Know-how, das vom Abnehmer in Form einer Auftragskonstruktion genutzt werden kann. Der Wertschöpfungspartner ist charakterisiert durch die Fähigkeit, Kapazitäten für die Problem- und Systemlösung sowohl auf Produkt- als auch auf Prozessebene anbieten zu können. Im Umfeld des DMU ist die Integration von Entwicklungs- und Wertschöpfungspartnern von besonderer Bedeutung, da hier eine enge Abstimmung der parallel laufenden Entwicklungsaktivitäten erfolgen muss, um den Gesamtprozess harmonisiert steuern zu können. Die Projektarbeit in der Produktentwicklung findet im Rahmen von Simultaneous Engineering Teams (SETs) statt, in die die Zulieferer integriert werden müssen (Abbildung 2). Die Auswahl von Wertschöpfungspartnern muss notwendigerweise sehr früh im Produktentwicklungsprozess erfolgen, noch ehe die bisher benötigten Ausschreibungsunterlagen vorliegen. Auf eine Zuliefererauswahl über Konzeptwettbewerbe muss unter Umständen ebenfalls verzichtet werden, wenn man nicht bereits vor dem eigentlichen Anstoß des Produktprojektes diesen Wettbewerb und die damit verbundene Bewertung und Auswahl eines Zulieferers vornimmt. Um auch eine datentechnische Integration von Abnehmer und Zulieferer zu erzielen, muss gewährleistet werden, dass der Datenaustausch zwischen beiden in einem regelmäßigen Turnus stattfindet. Neben geometriebeschreibenden Daten müssen auch produktstrukturelle Informationen sowie weitere Attribute, wie beispielsweise Bauteilgewichte, und Dokumente, wie beispielsweise Mess- und Prüfberichte, ausgetauscht werden (s. a. [HoM96]). Dies setzt eine Harmonisierung der Softwareumgebungen oder die Nutzung von Standardaustauschformaten wie STEP AP214 voraus. Auch bei einer systemseitigen Harmonisierung ist noch nicht gewährleistet, dass die Informationsinhalte auch identisch interpretiert werden, dass beispielsweise die Konzepte für die Strukturierung von Produkten und Dokumenten identisch sind beziehungsweise eine eindeutige Transformation zwischen den beiden Konzepten möglich ist, um manuellen Aufwand zu vermeiden. Virtual Reality (VR) ist eine neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMI), die es dem Benutzer oder»cybernauten«gestattet, sich in drei Dimensionen zu bewegen und bei geeigneter Wahl der Hardware vollständig in die künstliche Welt einzutauchen (Abbildung 3). In diesem Zusammenhang spricht man auch vom Grad der Immersion und der eigenen Präsenz. Ein Datenhelm liefert beispielsweise eine hohe Immersion, die Präsenz der Person ist aber normalerweise nicht gegeben, weil sie ihren Körper nicht sieht. Wesentlich für diese MMI ist es je nach Anwendung, auf möglichst natürliche Art und Weise mit der Umgebung zu kommunizieren und zu interagieren. Dazu gehören das Stereosehen, Hören, Sprechen und Fühlen [Kal94], [NRC95], [PRSSZ97]. Die Bandbreite von»cyberspace«ist sehr groß, sie reicht vom»surfen«im Internet am heimischen PC bis hin zu komplexen, hochinteraktiven Anwendungen in Forschung und Industrie wurde in der VOLKSWAGEN Forschung eine Projektgruppe installiert, die sich mit der Anwendbarkeit der VR-Technik im Entwicklungsprozess auseinandersetzt. Durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt, das die Basis-Software lieferte, konnte relativ schnell mit der Erstellung applikationsspezifischer Software im VRLab begonnen werden. Um die Anwendungen, die schon eine gewisse Reife erzielt hatten, in der Praxis einzusetzen, wurde Anfang 1997 mit dem Aufbau eines zweiten Labors im Entwicklungsbereich, dem VRStudio, begonnen. Seitdem hat eine rasante Entwicklung von Präsentations-Studios eingesetzt. Ende 2000 gab es konzernweit bereits 22 derartige Einrichtungen mit zum Teil unterschiedlichen Projektionssystemen (Stereo-Displays bis drei Meter Diagonale,»PowerWalls«mit der Größe 6,5 mal zwei Meter, eine Dreiseiten-CAVE und eine»holobench«, ein Tisch Display). Für die Grafik und die Simulationen werden im Moment ausnahmslos Grafik-Supercomputer des Herstellers SGI (»Onyx«) eingesetzt. Ein Beispiel für die Anwendungen stellen die virtuellen Modelle dar, die vor dem Frä- Carolo-Wilhelmina 1/2001

4 sen oder anstelle gefräster Modelle von Fachleuten aus verschiedenen Bereichen begutachtet werden, um Schwachstellen und Probleme zu erkennen. Auf diese und weitere VR-Anwendungen wird in den Beispielen näher eingegangen. Hardware für komplexe VR-Anwendungen Hardware für CAD-Anwendungen besteht im Regelfall aus einer Workstation, dem Bildschirm sowie einer 2-D-Maus (manchmal auch schon 3-D-Maus sowie Shutterbrille zum Stereosehen). Hardware für komplexe VR-Anwendungen besteht aus sehr viel mehr Komponenten. Von der jeweiligen Applikation hängt es ab, welche der möglichen beziehunsweise vorhandenen Geräte einzusetzen sind, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. In Tabelle 1 sind einige VR-Komponenten mit typischen Anwendungsbeispielen zusammengefasst. Durch die Vielzahl der Komponenten sind an den zentralen Rechner erhöhte Anforderungen bezüglich der Ein- und Ausgabe- Kanäle zu stellen. Die grafischen Ausgabekanäle müssen in der Lage sein, Auflösungen bis HDTV (1920x1080) über zwei Grafik-Pipes zu liefern. Die meisten Interaktionsgeräte werden an serielle Schnittstellen angeschlossen, das Kraft-Feedback läuft zum Beispiel auf einer gesonderten Workstation asynchron mit 1 khz ab, der Datenaustausch erfolgt im Allgemeinen über Ethernet, bei erhöhten Anforderungen über VME-Bus. In den Abbildungen 4a, b, c, d sind einige VR-Hardware-Komponenten zu sehen, wie sie aktuell bei VOLKSWAGEN eingesetzt werden. Die technischen Anforderungen an VRtaugliche Hardware sind generell sehr hoch. Sie hängen von verschiedenen Parametern ab: Komplexität der Szene Darstellungsqualität und Realismus der Darstellung: - Anforderungen an Genauigkeit, - Bild-Auflösung, -Filterung, - Texturierung, Echtzeitanforderungen abhängig von zum Beispiel - Immersion, - Grad der Interaktivität - Art der Interaktion, zum Beispiel - reine Visualisierung (optische Rückkopplung), - Spracheingabe mit akustischer Rückkopplung, - haptische Feedbacks, - Kollisionserkennung mit Rückkopplung. Abbildung 5 zeigt die heute erreichbare Leistung bei VR-Anwendungen. Dabei ist die Realzeitanforderung (Frames/s) in Abhängigkeit von der Komplexität (Anzahl Polygone) aufgetragen. Die Werte stammen aus Anwendungen im VRLab und weichen teilweise erheblich von den Herstellerangaben ab. Schwächen der heutigen Hardware sind: die Grafik-Leistung ist für manche Anwendungen noch nicht ausreichend (siehe Abbildung 5), die Positions-Tracker sind zu ungenau, die Haptik-Feedback-Geräte genügen noch nicht den Anforderungen und die Ergonomie ist aufgrund der Verkabelung unzulänglich. Software für VR-Anwendungen TABELLE 1: Beschreibung der VR-Hardware-Komponenten. Am Markt sind mittlerweile einige kommerzielle Softwarepakete erhältlich, zum Beispiel VirtualDesign2 (Open GL-basiert, vrcom GmbH, Darmstadt, ursprünglich IGD-Entwicklung). Dieses Paket wird bei Volkswagen hauptsächlich eingesetzt. Weitere Systeme sind Relax (Performer-basiert), 1/2001 Carolo-Wilhelmina

5 ABBILDUNG 4D: Datenhandschuh DataGlove der Firma Virtex, über dem Handschuh kann ein Exoskeleton für Kraftrückkopplung angebracht werden. ABBILDUNG 4A: Grafik-Rechner Onyx, Vordergrund Deskside, im Hintergrund Rack-Maschine mit bis zu drei Pipes. ABBILDUNG 4B: n-vision HMD, maximale Auflösung bis 1280x1024x2. ABBILDUNG 4C: Space-Maus mit sechs Freiheitsgraden. dvise (Division GB), Opus (Open GL Optimizer basiert, Opticor SE), DBView (Open Inventor-basiert, DaimlerChrysler, Ulm), Lightning (Performer-basiert, Cenit bzw. IAO). Hochschulen und Institute bieten zum Teil ebenfalls Software an (zum Teil entstanden die kommerziellen Pakete aus Institutsentwicklungen) wie zum Beispiel IAO (Lightning) und GMD (Avocado und Nachfolgesystemen). Wesentliche Merkmale von VR-Software sind ihre Echtzeitfähigkeit, die Multiprozessorfähigkeit, asynchrone Prozesse, das Handling großer Datenmengen (incl. Level-of-Detail-Techniken). Die Grafik basiert dabei im Allgemeinen auf dem OpenGL-Modell oder auf einer höheren Schale wie zum Beispiel den SGI-Produkten OpenInventor, Performer oder Open GL Optimizer. Für Anwendungen, die neben der Visualisierung auch Interaktion enthalten, sind zum Teil sehr komplexe Kollisionsberechnungs-Algorithmen im Einsatz. Beispielsweise müssen bei der Benutzung von Datenhandschuhen für jedes Bild die Kollisionen der Hand mit Szene-Objekten bekannt sein, um Greif- oder andere Operationen einzuleiten. In Abbildung 3 wurde die Komplexität des Regelkreises bereits aufgezeigt. Die Datenbeschaffung und-bereitstellung stellt immer noch ein gewisses Problem dar. Es stehen zwar mittlerweile Tools zur Verfügung, mit deren Hilfe, zum Teil im Batch- Betrieb, Daten gewandelt werden können, für eine schnelle und qualitativ hochwertige Konvertierung der parametrischen Daten in das notwendige Dreiecksformat sind dennoch weiterhin Hindernisse vorhanden: Daten sind noch nicht in der DMU- Datenbank, Daten sind unstrukturiert vorhanden, Teile wurden nicht nach CAD-Richtlinie konstruiert (zum Beispiel Layer-Belegung), Mehrfachflächen, Fehler im Interface. Schnittstellen stellen ein wichtiges Bindeglied sowohl zwischen CAx-Systemen wie auch zu VR-Anwendungen dar. Auch heute noch wird sehr häufig mit den»alten«schnittstellen IGES und VDA-FS gearbeitet. Zunehmend, mit Einführung des CAD-Systems CATIA und der DMU-Datenbank VPM als Basissysteme der Technischen Entwicklung (TE) und anderer Bereiche, werden auch native Daten über ein Zwischenformat (zum Beispiel»Cosmo Binary«) direkt in das Polygonformat überführt. Häufig werden mehrere Datenquellen und -formate zusammengeführt (VR als»schmelztiegel«), auch bereits tesselierte Daten in Inventor oder VRML. Carolo-Wilhelmina 1/2001

6 Schwächen heutiger Schnittstellen Leider übertragen alle heute gebräuchlichen Schnittstellen im Gegensatz zu Produktdaten-Modellen lediglich Geometriedaten. Materialdaten, Verwaltungsdaten, logische Zusammenhänge und Produktionsvorschriften werden nicht weitergeleitet. Selbst eine relativ simple VR-Interaktion wie zum Beispiel das Öffnen einer Tür oder das Herunterklappen einer Sonnenblende erfordert die Kenntnis der Schwenkachsen, der Winkel etc., Informationen, die in herkömmlichen Schnittstellen nicht enthalten sind. Ebenso wünschenswert wäre es, standardmäßig Transformationsmatrizen für zum Beispiel COP-Teile über Schnittstellen zu erhalten. Noch schwieriger gestaltet sich die Aufgabe, Materialverhalten zu simulieren, um eine virtuelle Montage in Echtzeit durchzuführen. Abgesehen von den ungenügenden Feedbacks bei der Durchführung müssen die daten- und softwaremäßigen Voraussetzungen zur Simulation dieser Aufgabe geschaffen werden (Abbildung 6). Weitere Möglichkeiten dieser VR-Anwendung sind zum Beispiel Funktionalitäten wie das Öffnen/Schließen von Türen, das Einspielen von Toleranzauswirkungen und das interaktive Wechseln von Materialien. Auch Messungen können durchgeführt werden, etwa um Fugenverläufe zu kontrollieren. Ein Vorteil gegenüber dem realen Modell ist die Möglichkeit, verschiedene Varianten einzuspielen (2-Türer 4-Türer, Fugenverläufe usw.). Die Modelle werden in der Regel einem größeren Kreis auf einer großen Stereo-Projektionswand dargeboten. Material und Oberflächen Schon in der Design-Phase ist es bei Vorliegen von 3-dimensionalen CAD-Daten möglich, Materialien auf die Flächen aufzubrin- VIRTUAL REALITY ANWENDUNGEN HEUTE UND IN ZUKUNFT Visualisierung von Datenkontrollmodellen Der teilweise Ersatz von physikalischen Modellen führt zu Einsparungen bei Modellbaukosten und Entwicklungszeit. Bei VOLKSWAGEN wird seit Anfang 1997 in vermehrtem Maße dazu übergegangen, CAD-Daten auf diese Weise vor Fräsung eines Modells zu begutachten. Dabei kommt es weniger auf Echtzeit, sondern vielmehr auf die Genauigkeit der Darstellung an. Diese hoch qualitativen Modelle haben einen maximalen Darstellungsfehler von circa 0,1 mm. Mithilfe von aus der Computergrafik bekannten Verfahren wie Reflection Mapping, Soft-Shading und Punkt-Beleuchtung und in Zukunft auch Radiosity für die Schattendarstellung bei globaler Beleuchtung können so sehr zuverlässig selbst kleinste Fehler in der Flächendarstellung lokalisiert und angezeigt werden. ABBILDUNG 5: Leistung eines heutigen Grafik-Supercomputers (SGI Onyx InfiniteReality) und dazugehörende VR-Anwendungen einschließlich der unterschiedlichen Interaktionen und Simulationen. ABBILDUNG 6: Einbettung und Prozesskette VR in die CAx-Umgebung. 1/2001 Carolo-Wilhelmina

7 Setzen von Zeitmarken, Zeitschleifen, Speichern und Wiedergeben von abgespeicherten Situationen, einfaches und sehr schnelles Importieren von Ergebnisdaten.»Ramsis«: der virtuelle Testfahrer ABBILDUNG 7: VW-Sharan mit circa Polygonen, Innen- und Außenmodell. Dieses Modell wurde für die erste virtuelle Produkt-Clinic 1996 eingesetzt. Mit der damaligen Hardware konnten circa acht Stereo-Bilder/s erzeugt werden. Ein neues Clinic-Modell hat eine Auflösung von circa Polygonen und wird mit 12 bis 14 Bildern/s bewegt. gen. Dies können fotografische Texturen (Textilstoffe, Kunststoffe, Bilder von Geräten wie Radio, Klima, Schalter etc.) oder auch rechnergenerierte Texturen (Oberflächen) sein. Die Schwierigkeit dabei ist, eine Teiltextur auf eine Gesamtfläche so aufzubringen, dass die Ränder dieses»patchworks«nahtlos ineinander übergehen. Bei einer fotografischen Textur muss daher schon bei der Aufnahme darauf geachtet werden, dass die Beleuchtung gleichmäßig erfolgt, sodass später beim Scannen der Daten die Ränder durch einseitige oder ungleichmäßige Beleuchtung nicht hervorgehoben werden. Das Projizieren der Textur auf die CAD- Teilflächen muss danach so erfolgen, dass, speziell bei starken Krümmungen, keine Artefakte durch falsche Wahl der Projektionsrichtung entstehen. interaktives, beliebiges Bewegen im Datenraum, Zeitlupe (Slow motion) durch Echtzeit- Interpolation der»states«, Online-Darstellung beliebiger Ergebnis- Vektoren, Gruppieren und Selektieren von Teilstrukturen, relative und absolute Bewegung, Kopplung an auswählbare Teilstruktur, Ramsis ist eine CAD-Ergonomiepuppe, die in der Lage ist, objektive Aussagen über die Position von Extremitäten, Sichtbarkeiten und Komfort zu liefern (Abbildung 9). Der Berechnungskern von Ramsis wurde mit der VR-Software über eine spezielle Schnittstelle gekoppelt. Dadurch ist es möglich geworden, stereoskopisch sowohl die Blickrichtung der Puppe einzunehmen als auch eine beliebige freie Bewegung um die Puppe herum durchzuführen, um beispielsweise den Fußraum zu betrachten. Weiterhin können verschiedene Sichtkegel und Erreichbarkeits-Hüllflächen online erzeugt werden. In einem kürzlich abgeschlossenen Projekt wird die Ramsis-Puppe als»grafisches Echo«genutzt, um in einer so genannten Sitzkiste mithilfe eines Head-Mounted Display (HMD) ergonomische Untersuchungen in einem frühen Entwicklungsstadium durchführen zu können. Die Darstellung des eigenen Körpers ist hier notwendig, Den virtuellen Crash in Zeitlupe studieren Crash-Berechnungen sind sehr aufwendig und benötigen viele Stunden Rechenzeit, selbst auf den schnellsten heutigen Vektor- Rechnern (Abbildung 8). Umso wichtiger ist eine eingehende Analyse der Ergebnisse. Das Postprocessing mit Methoden der VR liefert dafür geeignete Unterstützung: ABBILDUNG 8: Crash-Visualisierung am Beispiel des jetzigen VW-Polo. Die vorher berechneten Ergebnisse in Form von sog.»states«können zusätzlich in Echtzeit interpoliert werden, um ein»weiches«durchfahren zu ermöglichen Der eigentliche Crash-Vorgang dauert jedoch nur ca. 80 ms. Carolo-Wilhelmina 1/2001

8 weil der Proband sich nicht selbst sehen kann (Immersion). Die virtuelle Produkt-Clinic Die Produkt-Clinic ist ein häufig benutztes Werkzeug der Marktforschung, um Kundenwünsche und die Akzeptanz für ein neues Fahrzeugmodell möglichst lange vor der Markteinführung zu erfragen und zu testen. Produkt-Clinics sind zum Teil sehr aufwendig und kostenintensiv. Es müssen nicht nur große Hallen angemietet werden, auch der Transport von Fahrzeugen, speziell Prototypen, ist teuer und problematisch wegen der erforderlichen Geheimhaltung. Zusammen mit der VOLKSWAGEN- Marktforschung wurde 1996 der erste Versuch einer virtuellen Clinic, parallel zur zeitgleich stattfindenden realen Clinic, durchgeführt. Damals handelte es sich um ein bereits im Markt befindliches Fahrzeug, den VW-Sharan. Die Ergebnisse dieser ersten virtuellen Clinic, die mit Hilfe einer Repräsentativ-Befragung von 100 Personen stattfand, waren sehr ermutigend, sodass in diesem Jahr erstmalig auch eine Befragung zu einem noch nicht vorgestellten Modell durchgeführt wurde. Die Ergebnisse im Vergleich zwischen realer und virtueller Clinic waren zum größten Teil fast deckungsgleich und lagen innerhalb der natürlichen Streuung. Es wurden Fragen zum Preis, zur Leistung, zur Fahrzeuggröße, zu einzelnen Design-Elementen und zur allgemeinen Anmutung gestellt. Die Vorteile der virtuellen Clinic sind: Kostenreduktion, Zeitersparnis, frühe Befragung möglich (vor dem ersten Prototyp), einfache Variantendarstellung. Natürlich hat diese Methode auch einige Nachteile, die hier nicht verschwiegen werden sollen: die fehlende Geruchs-Simulation (zum Beispiel Lederpolster), das Fühlen und Ertasten von Oberflächen ist derzeit nicht möglich, Komfort-Fragen und Fragen nach dem Raumgefühl sind schwierig zu beantworten, ABBILDUNG 9: VW-Sharan-Innenraum mit der Ergonomie-Puppe RAMSIS. Der Betrachter hat unter anderem die Möglichkeit, die Sichtverhältnisse aus den Augen der Puppe zu beurteilen. die Darstellung der Größenverhältnisse bei ungetrackten Betrachtern ist problematisch, fließende Bewegung ist bei gleichzeitiger aufwendiger, realistischer Darstellung nicht immer gewährleistet. Trotz der oben aufgeführten Nachteile stellt die virtuelle Clinic eine interessante Alternative zur üblichen realen Clinic dar. Sie wird mit weiter verbesserter Technik vermutlich in den kommenden Jahren häufiger eingesetzt werden. ZUKÜNFTIGE VR- UND AR-ANWENDUNGEN Weitere VR-Anwendungen befinden sich derzeit in der Planung oder noch im Forschungsstadium. Während die bereits vorgestellten Applikationen, bei denen die Visualisierung die zentrale Rolle spielt, schon eine gute Anwendungsreife erzielt haben, sind andere Bereiche, die höhere Anforderungen an Feedbacks stellen, noch nicht so weit, dass sie das Laborstadium verlassen können. Im ersten Teil des Beitrages wurde bereits auf die Schwächen heutiger Hardware hingewiesen. Dies wird in den Anforderungen deutlich, die an die nachfolgenden VR-Applikationen gestellt werden müssen: Generierung und Verlegung von Schläuchen, Montage in Fertigung und Kundendienst, Ergonomie-Sitzkiste mit VR-Visualisierung. Für diese Aufgaben gelten erhöhte Anforderungen an die Positionsbestimmung. Bei der Montage beispielsweise reicht die Genauigkeit von Magnetfeld-Trackern (ca. 10 mm) nicht aus, so dass optische Trackingsysteme zum Einsatz kommen, deren Genauigkeit wesentlich höher ist (ca. 1 mm). Diese wiederum haben Verdeckungsprobleme (»line of sight«), die man aber durch erhöhte Anzahl von CCD-Kameras größtenteils beheben kann. Eine Montage ohne haptisches Feedback ist sehr schwierig. Bisher verwendet man allgemein andere, jedoch unzureichende Methoden, um eine gewisse Rückkopplung 1/2001 Carolo-Wilhelmina

9 ABBILDUNG 10: Schlauchverlegung im Vorderwagen. Anbringen des Schlauches am Kühler über so genannte Stutzen (Hilfsgeometrien). Die Hilfsgeometrien werden über ein wissensbasiertes System (CLIPS) verwaltet. In der Abbildung ist auch das grafische Echo der Hand zu erkennen, mit der die Generierung und die Modifikationen der Schlauchsegmente erfolgen. Die Mittellinien der so erzeugten Geometrien können über die IGES-Schnittstelle an CAD-Systeme übergeben werden. Greifoperationen durchgeführt werden können. Tastoperationen sind in eingeschränktem Maße mithilfe punktueller Pressluft-Aktuatoren möglich [Bur96]. Im Rahmen des BMBF-geförderten Leitprojektes ivip [ivip] wird in einem Teilprojekt (TP 4.2) daran gearbeitet, ein generell nutzbares Kraft-Momenten-Feedback für virtuelle Umgebungen zu schaffen. An diesem Projekt sind neben Industriepartnern (Volkswagen, DaimlerChrysler, BMW) auch Forschungsinstitute maßgeblich beteiligt (DLR, FhG/IGD). Die Bildrate darf bei hoch interaktiven und immersiven Anwendungen die Schwelle von ca. 16 bis 20 Bildern/s nicht unterschreiten, um einen stabilen Regelkreis zu gewährleisten. Hier muss bei den momentan zur Verfügung stehenden Rechnerleistungen ein Kompromiss zwischen Realismus und Echtzeit gesucht werden. Trotz dieser Unzulänglichkeiten und Schwierigkeiten gelingt es dennoch, wie im Falle der Schlauchverlegung, recht gute und stabile Anwendungen auch heute schon durchzuführen. Diese Applikation ist in ihrer Abfolge ähnlich der, wie sie in der Realität abläuft. Ein wesentlicher Vorteil der virtuellen Verlegung ergibt sich daraus, dass bei Anwendung von DMU die erforderlichen Daten wesentlich früher zur Verfügung stehen und der Aufwand zur Variantenuntersuchung erheblich geringer ist [Sym97]. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt für erfolgreiche Montage-Simulationen in VR ist die Möglichkeit, flexible Bauteile in Echtzeit bereitzustellen. In CAD-Systemen werden im Allgemeinen auch flexible Teile wie Bowdenzüge, Schläuche, Kraftstoffleitungen, Kabel usw. als starre Bauteile in eingebautem Zustand behandelt (Tabelle 2, Abbildung 10). Aus der Medizin-Simulation sind Methoden bekannt, beispielsweise Gallen-Operationen in VR durchzuführen. FEM-Algorith- zu erzeugen, beispielsweise akustische Signale in Form von spezifischen Geräuschen oder Sprachausgabe. Kollisionen werden häufig auch optisch durch Farben oder durch die Art der Darstellung (zum Beispiel Wireframe) angezeigt. Im Falle der Sitzkiste hat man zwar ein gutes haptisches Feedback, jedoch besteht die Schwierigkeit, Realität und virtuelle Darstellung genügend genau zur Deckung zu bringen. Auch wenn es gelingt, mit optischen Trackern die erforderliche Genauigkeit zu erzielen, müssen andere Probleme in der Simulationskette wie optische Verzerrungen, Skalierungen und Latenzzeiten befriedigend gelöst werden. Für Montage-Anwendungen werden einige Kraft-Rückkopplungsgeräte angeboten, die aber nur einen spezifischen, eng umgrenzten Anwendungsbereich haben. Mit dem»phantom«der Firma SenseAble können Zug- und Druckkräfte über einen Stift oder Fingerhut aufgebracht werden (Abtastrate 1 khz). Die Firma Virtex bietet zu ihrem Datenhandschuh eine Zusatz-Hardware an (Exoskeleton), mit deren Hilfe TABELLE 2: Vergleich Schlauchverlegung im Vorderwagen. Carolo-Wilhelmina 1/2001

10 men kamen wegen der Echtzeit-Problematik bisher nicht in Betracht, es wurden vielmehr multinodale Netze eingesetzt, bei denen die Knoten (zweckmäßigerweise die sowieso vorhandenen Polygon-Eckpunkte für die Darstellung) durch Federn und Dämpfer verbunden sind. Durch geeignete Wahl der Werte lassen sich recht gute Resultate erzielen [KuKD95]. Bei technischen Systemen liegen allerdings häufig die darzustellenden Steifigkeiten wesentlich höher als bei Organen, sodass hier geringere Integrations-Schrittweiten und damit aufwendigere Berechnungen notwendig sind. Neuerdings gibt es viel versprechende Ansätze, durch Optimierung von Cache und Hauptspeicher doch echtzeitfähige FEM- Modelle (Tetraeder-Volumenelemente) einzusetzen, vorerst allerdings wohl nur für den linear-elastischen Fall, zum Beispiel bei Schläuchen. Ein neuer, erweiterter Ansatz für viele Anwendungen in Entwicklung, Fertigung und Service ergibt sich mit den Techniken der Augmented Reality, der»überlagerten Realität«. Hier werden entweder Video-see- Through oder auch Optical-see-Through- Techniken in Verbindung mit neuen Tracking-Verfahren eingesetzt (Fein- Tracking, zum Beispiel optisch mit Markern oder videobasiert ohne Marker, Grob- Tracking). Seit Mitte 1999 wird unter Beteiligung von Industrie und Forschung in einem BMBF-geförderten Leitprojekt daran geforscht [ARVIKA]. LITERATUR [DöKT97] Döllner, G.; Kellner, P.; Tegel, O.: Verifizierung von Entwicklungsergebnissen mit rechnerunterstützten Techniken Potentiale und Hemmnisse. VDI-Berichte Düsseldorf: VDI-Verlag, [HoM96] Horn, W.; Menon, J.: Virtual Prototyping of Product Structure in Product Data Management. Proceedings, ASME Design Engineering Technical Conferences 1996, Irvine/CA, U.S.A. Paper-# DETC/DFM [Teg96] Tegel, O.: Methodische Unterstützung beim Aufbau von Produktentwicklungsprozessen. Schriftenreihe Konstruktionstechnik (Hrsg.: W. Beitz), Bd. 35. TU Berlin, [Wil94] Wildemann, H.: Reorganisationskonzepte für eine schlanke Produktion und Zulieferung. München: Transfer-Centrum, [Kal94] Kalawsky, R. S.: The Science of Virtual Reality and Virtual Environments. Addison-Wesley Publishing Company, [NRC95] National Research Council: Virtual Reality Scientific and Technological Challenges. National Academy Press, Washington D.C., [PRSSZ97] Purschke, F., Rabätje, R., Schulze, M., Starke, A., Symietz, M., Zimmermann, P.: Virtual Reality (VR) New Methods of Improving and Accelerating Vehicle Development. Proceedings of the 5th Interntl. Conference Florence ATA 1997, Florenz, [Bur96] Burdea, G. C.: Force and Touch Feedback for Virtual Reality. John Wiley & Sons Inc., [Rab96] Rabätje, R.: Integration von CAD-Basisfunktionen in einer Virtual-Reality- Umgebung. Diplomarbeit, Technische Universität Braunschweig, April [Sym97] Symietz, M: Grundlegende Interaktionen mit Virtuellen Prototypen. Simulation und Animation 97, Eds. Deussen und Lorenz, Magdeburg, [KuKD95] Kuhn, C., Kühnapfel, U., Deussen, O.: Echtzeitsimulation deformierbarer Objekte zur Ausbildung in der Minimal- Invasiven Chirurgie. Modeling Virtual Worlds Distributed Graphics 1995, Bad Honnef, Seiten [ivip] [ARVIKA] 1/2001 Carolo-Wilhelmina

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